DE102011004160A1 - Method and device for examining a hollow organ with a magnet-guided endoscope capsule - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zur Untersuchung eines Hohlorgans (6) mit einer magnetgeführten Endoskopkapsel (2), mit der aus dem Inneren des Hohlorgans (6) fortlaufend Videobilder erzeugt werden, werden diese während der Navigation der Endoskopkapsel (2) im Hohlorgan (6) mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung ausgewertet und automatisch auf das Vorhandensein diagnostisch relevanter Information analysiert, und es wird das Ergebnis dieser Analyse zur Steuerung der Endoskopkapsel (2) herangezogen.In a method and a device for examining a hollow organ (6) with a magnet-guided endoscope capsule (2), with which video images are continuously generated from the interior of the hollow organ (6), these are recorded during the navigation of the endoscope capsule (2) in the hollow organ (6 ) evaluated with methods of digital image processing and automatically analyzed for the presence of diagnostically relevant information, and the result of this analysis is used to control the endoscope capsule (2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Untersuchung eines Hohlorgans mit einer magnetgeführten Endoskopkapsel.The invention relates to a method and a device for examining a hollow organ with a magnet-guided endoscope capsule.

Zur optischen Untersuchung der Innenoberfläche eines im Körper eines Lebewesens befindlichen Hohlorgans, beispielsweise des Magen-Darmtraktes eines Patienten, ist es beispielsweise aus der DE 101 42 253 C1 bekannt, in das Hohlorgan eine Endoskopkapsel, bei der Untersuchung des Magen-Darmtraktes beispielsweise durch Schlucken einzubringen, die ohne feste Verbindung nach außen im Hohlorgan durch externe Magnetfelder frei manövrierbar ist.For the optical examination of the inner surface of a living body in the body of a hollow organ, for example, the gastrointestinal tract of a patient, it is for example from the DE 101 42 253 C1 known to introduce into the hollow organ an endoscope capsule in the study of the gastrointestinal tract, for example, by swallowing, which can be freely maneuvered without solid compound to the outside in the hollow organ by external magnetic fields.

Bei einer solchen endoskopischen Untersuchung (magnetgeführte Kapselendoskopie) muss der die Diagnose durchführende Arzt eine Vielzahl von in kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgenden Bildern einerseits hinsichtlich gegebenenfalls vorhandener diagnostisch relevanter Bildinhalte, andererseits auch im Hinblick auf eine korrekte Steuerung der Endoskopkapsel verarbeiten. Allein die Steuerung der Endoskopkapsel erfordert jedoch ein hohes Maß an Aufmerksamkeit, so dass grundsätzlich das Risiko besteht, dass der die Untersuchung durchführende Arzt diagnostisch relevante Details übersieht.In such an endoscopic examination (magnetically guided capsule endoscopy), the physician carrying out the diagnosis must process a large number of images consecutive at short intervals on the one hand with regard to possibly existing diagnostically relevant image contents, on the other hand also with regard to a correct control of the endoscope capsule. However, the control of the endoscope capsule requires a high degree of attention, so that in principle there is a risk that the examining doctor overlooks diagnostically relevant details.

Zwar ist es bei der passiven Kapselendoskopie grundsätzlich bekannt, das vorhandene Bildmaterial nachträglich einer digitalen Bildverarbeitung zu unterziehen, um auf diese Weise mit Methoden der computerunterstützten Diagnose (CAD) Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen es möglich ist, klinisch relevante pathologische Strukturen automatisch zu erkennen und auf diese Weise dem untersuchenden Arzt die Auswertung zu erleichtern.Although it is generally known in passive capsule endoscopy to subsequently subject the existing image material to digital image processing in order to provide methods of computer-aided diagnosis (CAD) methods with which it is possible to automatically acquire clinically relevant pathological structures recognize and thus facilitate the evaluation of the examining doctor.

Eine solche nachträgliche automatisierte Auswertung würde jedoch auch bei der magnetgeführten Kapselendoskopie auf der Grundlage des verfügbaren Videomaterials erfolgen, so dass nach wie vor das Risiko besteht, dass pathologische Erscheinungsformen nicht oder nur undeutlich auf den Videobildern wiedergegeben werden, da diese von der Endoskopkapsel nicht oder nur undeutlich erfasst worden sind, weil der untersuchende Arzt die diagnostische Relevanz während der Untersuchung nicht erkannt und bei der Steuerung der magnetgeführten Endoskopkapsel nicht entsprechend berücksichtigt hat.However, such a subsequent automated evaluation would also take place in the magnet-guided capsule endoscopy on the basis of the available video material, so that there is still the risk that pathological manifestations are not or only indistinctly reproduced on the video images, as these from the endoscope capsule or only have been detected indistinctly because the examining doctor has not recognized the diagnostic relevance during the study and has not taken into account in the control of the magnetically guided endoscope capsule.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Untersuchung eines Hohlorgans mit einer magnetgeführten Endoskopkapsel anzugeben, mit dem die Wahrscheinlichkeit, mit der pathologische Strukturen in Hohlorgan erkannt werden können, erhöht und dementsprechend die Wahrscheinlichkeit einer falsch-negativen oder falsch-positiven Diagnose verringert ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren betriebene Einrichtung anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying a method for examining a hollow organ with a magnet-guided endoscope capsule, which increases the probability with which pathological structures in the hollow organ can be detected, and accordingly reduces the probability of false-negative or false-positive diagnosis is. In addition, the invention has the object to provide a device operated by this method.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen werden die aus dem Inneren des Hohlorgans fortlaufend mit der magnetgeführten Endoskopkapsel erzeugten Videobilder während der Navigation der Endoskopkapsel im Hohlraum mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung ausgewertet und automatisch auf das Vorhandensein diagnostisch relevanter Information analysiert, und es wird das Ergebnis der Analyse, d. h. eine Aussage darüber, ob die Videobilder eine diagnostisch relevante, d. h. auf ein Krankheitsbild hinweisende Information enthalten oder nicht, zur Steuerung der Endoskopkapsel herangezogen.The above object is achieved according to the invention, with a method having the features of claim 1. According to these features, the video images generated from the interior of the hollow organ continuously with the magnet-guided endoscope capsule are evaluated during navigation of the endoscope capsule in the cavity with methods of digital image processing and automatically analyzed for the presence of diagnostically relevant information, and the result of the analysis, i. H. a statement about whether the video images are a diagnostically relevant, d. H. contain information indicative of a disease or not, used to control the endoscope capsule.

Die auf ein Krankheitsbild hinweisende, d. h. diagnostisch relevante Information kann beispielsweise direkt aus einer im Videobild erkennbaren pathologischen Veränderung an der Wand des Hohlorgans oder indirekt aus den Opazitätseigenschaften der im Hohlorgan befindlichen Flüssigkeit abgeleitet werden, da sich bestimmte Krankheitsbilder auch durch Trübung oder Färbung der Flüssigkeit oder durch das Vorhandensein von Partikeln in der Flüssigkeit bemerkbar machen. Von besonderem Interesse ist dabei das Erkennen einer akuten Gastritis (Magenschleimhautentzündung), da diese eine der Hauptursache für das Auftreten von Magenkrebs ist. Vorzugsweise besteht deshalb die diagnostische relevante Information in dem Vorhandensein von Bereichen an der Wand des Hohlorgans, die eine mögliche Gastritis indizieren.The indicative of a disease, d. H. Diagnostically relevant information can be derived, for example, directly from a recognizable in the video image pathological change on the wall of the hollow organ or indirectly from the Opacityseigenschaften the fluid contained in the hollow organ, as certain clinical pictures also by turbidity or coloration of the liquid or by the presence of particles in the Make fluid noticeable. Of particular interest is the detection of acute gastritis (gastritis), as this is a major cause of gastric cancer. Preferably, therefore, the diagnostic relevant information is the presence of areas on the wall of the hollow organ which indicate possible gastritis.

Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass das Erkennen diagnostisch relevanter Bereiche der Wand oder diagnostisch relevanter Eigenschaften der Flüssigkeit, in der die Endoskopkapsel schwimmt, während der Untersuchung dazu benutzt werden kann, die Endoskopkapsel so zu steuern, um den als möglicherweise pathologisch identifizierten Wandbereich des Hohlorgans oder die in der Flüssigkeit selbst entdeckten Unregelmäßigkeiten einer ausführlicheren endoskopischen Untersuchung zu unterziehen, indem beispielsweise die Endoskopkapsel angehalten wird und näher an den betreffenden Oberflächenbereich herangefahren wird, um dem Arzt eine genauere Betrachtung zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise eine höhere Vergrößerung oder eine Betrachtung aus unterschiedlichen Winkeln sein, die ihm eine bessere Beurteilung ermöglicht, ob es sich tatsächlich um einen gastritischen Bereich handelt oder nicht. Beim Erkennen einer diagnostisch relevanten Veränderung der Flüssigkeit kann beispielsweise die Endoskopkapsel gedreht werden, um die Eigenschaften der Flüssigkeit in unterschiedlichen Richtungen näher zu analysieren, um beispielsweise die Ursache der Veränderung, beispielsweise der Ort an der Wand, an dem eine Ablösung von Partikeln stattfindet, lokalisieren zu können, so dass dieser näher untersucht werden kann.The invention is based on the consideration that the recognition of diagnostically relevant areas of the wall or diagnostically relevant properties of the liquid in which the endoscope capsule floats can be used during the examination to control the endoscope capsule in such a way as to identify the possibly pathologically identified wall area subjecting the hollow organ or the irregularities discovered in the fluid itself to a more extensive endoscopic examination, for example by stopping the endoscope capsule and moving it closer to the relevant surface area in order to allow the physician a closer examination. This may be, for example, a higher magnification or a viewing from different angles, which allows it to better judge whether it is indeed a gastric region or not. Upon detection of a diagnostically relevant change in the fluid, for example, the endoscope capsule can be rotated in order to determine the properties of the fluid in analyze different directions in more detail, for example, to be able to locate the cause of the change, such as the location on the wall, where a detachment of particles takes place, so that it can be examined in more detail.

Diese Steuerung kann entweder automatisiert erfolgen oder vom Arzt manuell durchgeführt werden, wenn ihm bei der Betrachtung der Videobilder am Monitor optisch oder visuell ein derartiger Hinweis auf das mögliche Vorhandensein einer pathologischen Veränderung angezeigt wird.This control can either be automated or performed manually by the doctor if visually or visually such an indication of the possible presence of a pathological change is displayed when viewing the video images on the monitor.

Hierzu wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens aus den Videobildern zum Lokalisieren von hohen Intensitätsgradienten durch Vorbearbeitung jeweils ein Grauwertbild erzeugt, dessen Bildpunkten jeweils ein Grauwert zugeordnet wird, aus dem durch Glättung und Kantenfilterung ein gefiltertes Bild erzeugt wird, dessen Bildpunkten ein Filterwert zugeordnet ist, wobei aus den Filterwerten der Bildpunkte des gefilterten Bildes ein Schwellwert abgeleitet wird. Das Videobild wird in jeweils eine Vielzahl von Gruppen aufgeteilt, die jeweils eine Vielzahl von Bildpunkten umfassen, und es werden nur diejenigen Gruppen als relevante Gruppen zur Analyse herangezogen, die eine Mindestanzahl von Bildpunkten enthalten, die im gefilterten Bild den Schwellwert überschreiten. Durch diese Maßnahmen wird die Anzahl der zur Analyse benötigten Bildpunkte auf ein Maß reduziert, das eine automatisierte Analyse während der Untersuchung (on-the-fly) ermöglicht.For this purpose, in a preferred embodiment of the method, a grayscale image is generated from the video images for locating high intensity gradients by preprocessing, whose pixels are each assigned a gray value from which a filtered image is generated by smoothing and edge filtering, whose pixels are assigned a filter value, wherein a threshold value is derived from the filter values of the pixels of the filtered image. The video image is divided into a plurality of groups, each comprising a multiplicity of pixels, and only those groups which contain a minimum number of pixels which exceed the threshold value in the filtered image are used as relevant groups for analysis. These measures reduce the number of pixels needed for analysis to a level that allows for automated on-the-fly analysis.

Eine besonders hohe Treffsicherheit wird erzielt, wenn jeder relevanten Gruppe eine Vielzahl von Eigenschaften zugeordnet wird, anhand derer mit einem anhand von bewerteten Testbildern trainierten Expertensystem beurteilt wird, ob die relevante Gruppe einen gastritischen Bereich indiziert oder nicht.A particularly high accuracy is achieved if each relevant group is assigned a multitude of properties, with the aid of which an expert system trained on the basis of evaluated test images is used to assess whether the relevant group indicates a gastric area or not.

Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.With regard to the device, the object is achieved according to the invention with a device having the features of claim. 7

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren verwiesen. Es zeigen:For further explanation of the invention reference is made to the figures. Show it:

1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung, 1 a device according to the invention in a schematic schematic diagram,

2a, b ein Flussdiagramm, in dem der Ablauf der automatischen Analyse der von der Endoskopkapsel bereitgestellten Videobilder dargestellt ist, 2a , b a flowchart in which the sequence of the automatic analysis of the video images provided by the endoscope capsule is represented,

3 und 4 jeweils ebenfalls schematisch vereinfacht Bilder vom Inneren eines Magens mit unterschiedlichen pathologischen Erscheinungsformen innerhalb einer im Magen befindlichen Flüssigkeit. 3 and 4 also schematically simplified images of the interior of a stomach with different pathological manifestations within a liquid in the stomach.

Gemäß 1 befindet sich eine magnetgeführte Endoskopkapsel 2 in einem mit einer Flüssigkeit 4 gefüllten Hohlorgan 6, beispielsweise einem Magen. Mit zumindest einer in der Endoskopkapsel 2 angeordneten Videokamera 8 werden fortlaufend Videobilder aufgenommen und über Funk an eine externe Steuer- und Auswerteeinrichtung 10 übermittelt. In der Endoskopkapsel 2 ist ein Permanentmagnet 12 angeordnet. Die Führung, d. h. die Bewegung und Ausrichtung der Endoskopkapsel 2 erfolgt mit Hilfe eines inhomogenen Magnetfeldes H, das von einem externen Magnetsystem 14 erzeugt wird, das beispielsweise drei Magnetspulen umfasst, deren Spulenachsen senkrecht zueinander orientiert sind und ein Gerätebezugssystem xyz festlegen.According to 1 there is a magnetic guided endoscope capsule 2 in one with a liquid 4 filled hollow organ 6 for example, a stomach. With at least one in the endoscope capsule 2 arranged video camera 8th Video images are continuously recorded and transmitted via radio to an external control and evaluation device 10 transmitted. In the endoscope capsule 2 is a permanent magnet 12 arranged. The guidance, ie the movement and orientation of the endoscope capsule 2 takes place with the help of an inhomogeneous magnetic field H, that of an external magnet system 14 is generated, for example, comprises three magnetic coils whose coil axes are oriented perpendicular to each other and define a device reference system xyz.

Im dargestellten Beispiel befindet sich im Gesichtsfeld 16 der Videokamera an der Wand 18 des Hohlorgans eine pathologische Struktur 20, beispielsweise eine lokale Entzündung (gastritischer Bereich). Die von der Videokamera 8 aufgenommenen und an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 10 übermittelten Videobilder werden auf einem Monitor 22 wiedergegeben. Die pathologische Struktur 20 ist auf dem Monitor 22 zu erkennen und durch Schraffur hervorgehoben.In the example shown is in the field of view 16 the video camera on the wall 18 of the hollow organ a pathological structure 20 , for example, a local inflammation (gastric area). The from the video camera 8th recorded and sent to the control and evaluation 10 transmitted video images are displayed on a monitor 22 played. The pathological structure 20 is on the monitor 22 to recognize and highlighted by hatching.

Das Magnetsystem 14 wird mit Hilfe von Steuersignalen S gesteuert, die von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 10 entweder automatisch oder durch Eingaben eines Benutzers über eine externe Eingabeeinheit 24, im Beispiel veranschaulicht durch einen Joystick, generiert werden.The magnet system 14 is controlled by means of control signals S from the control and evaluation 10 either automatically or by inputs from a user via an external input device 24 , in the example illustrated by a joystick, are generated.

In der Steuer- und Auswerteeinheit 10 sind Bildverarbeitungsalgorithmen implementiert, mit denen es möglich ist, pathologische Strukturen 20 automatisch zu erkennen und im Videobild zu markieren, wie dies durch die Schraffur angedeutet ist. Darüber hinaus können noch weitere optische oder akustische Anzeigen, in der 1 durch einen Lautsprecher 26 symbolisiert, vorgesehen sein, die den Bediener auf das Vorhandensein einer von der Steuer- und Auswerteeinheit 10 als pathologisch klassifizierten Struktur 20 hinweisen, um diesen die Möglichkeit zu verschaffen, diese möglicherweise pathologische Struktur 20 näher zu untersuchen, indem er beispielsweise die Endoskopkapsel 2 anhält oder näher an die Struktur 20 heranfährt, um sicherer beurteilen zu können, ob es sich tatsächlich um eine pathologische Erscheinung handelt oder nicht.In the control and evaluation unit 10 are implemented image processing algorithms with which it is possible pathological structures 20 automatically detect and mark in the video image, as indicated by the hatching. In addition, other visual or acoustic displays can be found in the 1 through a speaker 26 symbolizes, provided that the operator to the presence of one of the control and evaluation 10 as a pathologically classified structure 20 to give them the possibility of this possibly pathological structure 20 to investigate, for example, the endoscope capsule 2 stops or closer to the structure 20 approaches in order to be able to judge with certainty whether it is really a pathological phenomenon or not.

Die in der Steuer- und Auswerteeinheit 10 erfolgende Bildverarbeitung und Bildauswertung ist in 2a und b anhand eines Flussdiagrammes veranschaulicht. In einem ersten Schritt 30 wird das originale farbige Videobild O = v(x, y) gespeichert, wobei jedem Bildpunkt x, y ein dreikanaliger RGB-Wert v zugeordnet ist. Für die weitere Verarbeitung wird nun in einem nächsten Schritt 32 aus diesem Videobild O = v(x, y) ein Grauwertbild G = g(x, y) berechnet, wobei jedem Bildpunkt x, y ein Grauwert g auf einer beispielsweise 256 Grauwerte umfassenden Skala zugeordnet ist. Grundlage hierfür ist die Überlegung, dass es zwischen gastritischen Bereichen und nicht-gastritischen Bereichen ausgeprägte Intensitätswechsel vorliegen, die sich auch im einkanaligen Grauwertbild G wiederfinden. In diesem Grauwertbild G können dann hohe Intensitätsgradienten mit 2D-Filtern beispielsweise nach vorhergehender Glättung mit einem Kantenfilter lokalisiert werden. Das Grauwertbild G wird dementsprechend in Schritt 34 mit einem Filterkern K gefaltet, der vorzugsweise selbst eine Faltung aus einem Gauß-Filter und einem Laplacefilter ist (ein sogenannter L(aplacian)o(f)G(Gaussian)-Filter), um Regionen mit stark ausgeprägten Kanten, an denen sich die Intensität mit hoher Ortsfrequenz ändert, hervorzuheben. Auf diese Weise entsteht ein gefiltertes Bild F = G × K = f(x, y). Die Anzahl der Spalten bzw. Reihen des verwendeten Filterkerns entspricht dabei in etwa der Anzahl der Bildpunkte (Pixel), die sich in einer die Kante bildenden Übergangszone zwischen einem entzündeten Bereich und einem gesunden Bereich befinden. In der Praxis hat sich dabei ein Filter mit 9×9 = 81 Matrixelementen mit einer Varianz σ = 1,4 bewährt.The in the control and evaluation unit 10 image processing and image evaluation is in 2a and b is illustrated with reference to a flowchart. In a first step 30 the original color video image O = v (x, y) is stored, each pixel x, y being assigned a three-channel RGB value v. For further processing will now be in a next step 32 from this video picture O = v (x, y) a gray value image G = g (x, y) is calculated, wherein each pixel x, y is assigned a gray value g on a scale comprising, for example, 256 gray scale values. The basis for this is the consideration that there are pronounced intensity changes between gastritic areas and non-gastritic areas, which are also found in the single-channel gray scale image G. In this gray-scale image G, high intensity gradients can then be localized with 2D filters, for example after previous smoothing with an edge filter. The gray value image G is accordingly in step 34 is convoluted with a filter kernel K, which is preferably itself a convolution of a Gaussian filter and a Laplace filter (a so-called L (aplacian) o (f) G (Gaussian) filter) to regions with pronounced edges where the Intensity with high spatial frequency changes to highlight. This results in a filtered image F = G × K = f (x, y). The number of columns or rows of the filter core used here corresponds approximately to the number of pixels (pixels) which are located in a transition zone forming the edge between an inflamed area and a healthy area. In practice, a filter with 9 × 9 = 81 matrix elements with a variance σ = 1.4 has proven itself.

In diesem gefilterten Bild F = f(x, y) wird nun im Schritt 36 nach einem ersten Schwellwert tF gesucht, mit dessen Hilfe, relevante Amplitudenänderungen von nicht relevanten Amplitudenänderungen getrennt werden können. Da sich die erzeugten Videobilder hinsichtlich ihres Kontrastes und der Beleuchtungsbedingungen erheblich voneinander unterscheiden, ist hierzu ein fest vorgegebener Schwellwert ungeeignet. Zur Bestimmung des ersten Schwellwertes tF wird deshalb für jedes gefilterte Bild F = f(x, y) ein Histogramm mit beispielsweise 256 gleichgroßen Intervallen gebildet, dessen untere Grenze durch den minimalen Intensitätswert und dessen oberen Grenze durch den maximalen Intensitätswert gebildet ist. Hierzu wird im Histogramm analysiert, an welcher Stelle ein Viertel des maximalen Intensitätswertes unterschritten wird. Mit dem auf diese Weise festgelegten Schwellwert tF wird eine Maske oder ein Binärbild gebildet, die für diejenigen Pixel den Wert 1 annimmt, deren Intensität größer als der Schwellwert ist und für die übrigen Pixel den Wert 0 annimmt.In this filtered image F = f (x, y) is now in step 36 searched for a first threshold t F , with the help of which, relevant amplitude changes of non-relevant amplitude changes can be separated. Since the video images produced differ considerably in terms of their contrast and the lighting conditions, a fixed threshold value is unsuitable for this purpose. For the determination of the first threshold value t F , therefore, for each filtered image F = f (x, y), a histogram with, for example, 256 equal intervals is formed whose lower limit is formed by the minimum intensity value and whose upper limit by the maximum intensity value. For this purpose, the histogram is used to analyze at which point one quarter of the maximum intensity value is undershot. With the threshold value t F set in this manner, a mask or a binary image is formed which assumes the value 1 for those pixels whose intensity is greater than the threshold value and assumes the value 0 for the remaining pixels.

In einem nächsten Schritt 38 wird nun das gefilterte Bild F = f(x, y) in eine Mehrzahl i = 1, ..., n von disjunkten Gruppen (Bins) bini(x, y) aufgeteilt, die jeweils eine Mehrzahl von Bildpunkten x, y umfassen, wobei die Gesamtheit der Gruppen bini(x, y) das gesamte Bild abdecken. Im Beispiel werden Gruppen bini(x, y) aus jeweils 15×15 Bildpunkten gebildet. Diese Gruppen bini(x, y) werden nun in einem nächsten Schritt 40 dahingehend analysiert, wie viele der Bildpunkte x, y innerhalb einer solchen Gruppe bini(x, y) einen (gefilterten) Grauwert f aufweisen, der einen zweiten vorgegebenen Schwellwert ts überschreitet, d. h. es wird die Anzahl Ni der innerhalb der Gruppe bini(x, y) vorhandenen Bildpunkte x, y bestimmt, für die die Beziehung g(x, y) > ts erfüllt ist. Für die weitere Bearbeitung werden nur diejenigen Gruppen bini(x, y) berücksichtigt, in denen die Anzahl Ni solcher Bildpunkte größer als ein Minimalwert N0 ist, der im Beispiel mit 10 angesetzt ist. Mit anderen Worten: Wenigstens 10 der 225 Bildpunkte x, y einer Gruppe bini(x, y) müssen einen (gefilterten) Grauwert f aufweisen, der den Schwellwert ts überschreitet. Diese Vorgehensweise beruht auf der Überlegung, dass sowohl schnelle Intensitätsänderungen im Bild, wie sie bei einer gastritischen Läsion auftreten, als auch hochfrequentes Rauschen zu einer Häufung von Filterantworten mit großen Amplitudenänderungen führen, wobei letztere jedoch nur isoliert und mit kleiner Anzahl auftreten. Auf diese Weise verbleiben gemäß Schritt 42 relevante Gruppen bini,rel(x, y), die im Originalbild diejenigen Bereiche markieren, die der weiteren Analyse unterzogen werden.In a next step 38 Now, the filtered image F = f (x, y) is divided into a plurality i = 1, ..., n of disjoint groups (Bins) bin i (x, y), each comprising a plurality of pixels x, y , where the set of groups bin i (x, y) covers the whole picture. In the example, groups bin i (x, y) are formed from 15 × 15 pixels each. These groups i (x, y) are now in a next step 40 is analyzed as to how many of the pixels x, y within such a group bin i (x, y) have a (filtered) gray value f that exceeds a second predetermined threshold value t s , ie the number N i is within the group bin i (x, y) existing pixels x, y for which the relationship g (x, y)> t s is satisfied. For further processing, only those groups bin i (x, y) are taken into account, in which the number N i of such pixels is greater than a minimum value N 0 , which is set at 10 in the example. In other words, at least 10 of the 225 pixels x, y of a group bin i (x, y) must have a (filtered) gray value f that exceeds the threshold value t s . This approach is based on the consideration that both fast intensity changes in the image, such as occur in a gastric lesion, and high-frequency noise lead to an accumulation of filter responses with large amplitude changes, the latter occurring only in isolation and with a small number. In this way, remain in step 42 relevant groups are i, rel (x, y), which in the original image mark those areas that are subjected to further analysis.

In einem nächsten Schritt 44 wird auf die Original-Bilddaten v(x, y) des Videobildes O dieser relevanten Gruppen bini,rel(x, y), d. h. die originalen RGB-Werte der einzelnen verbliebenen relevanten Bildpunkte x, y zurückgegriffen. Die Original-Bilddaten v jeder relevanten Gruppe bini,rel(x, y) werden nun in Schritt 46 hinsichtlich einer Vielzahl von Eigenschaften analysiert. Dies sind im vorliegenden Fall Farbeigenschaften, Eigenschaften des Farbhistogramms, Farbstruktureigenschaften, Textureigenschaften und Filtereigenschaften. Ein Beispiel für Farbeigenschaften ist der Mittelwert und der Maximalwert für jeden Kanal des RGB-Farbraumes innerhalb einer solchen Gruppe bini,rel(x, y). Zusätzlich werden Farbhistogramme für den R-Kanal im RGB-Farbraum, den dritten Kanal im HSV-Farbraum und dem L-Kanal des Lab-Farbraumes gebildet.In a next step 44 the original image data v (x, y) of the video image O of these relevant groups bin i, rel (x, y), ie the original RGB values of the individual remaining relevant pixels x, y, are used. The original image data v of each relevant group bin i, rel (x, y) will now be in step 46 analyzed for a variety of properties. These are in the present case color properties, properties of the color histogram, color structure properties, texture properties and filter properties. An example of color properties is the mean and the maximum value for each channel of the RGB color space within such a group is i i, rel (x, y). In addition, color histograms for the R channel in the RGB color space, the third channel in the HSV color space and the L channel of the Lab color space are formed.

Die Farbstruktureigenschaften dienen dazu, zwischen der quantitativen und räumlichen Verteilung von Farbeigenschaften innerhalb einer Gruppe bini,rel(x, y) zu unterscheiden. Hierzu werden die Gruppen bini,rel(x, y) jeweils in Untergruppen unterteilt. Im Ausführungsbeispiel werden in jeder der Gruppen bini,rel(x, y) 25 Untergruppen zu je 3×3 Bildpunkten gebildet. Nunmehr wird in fünf Farbkanälen (RGB-Farbraum: R, G, B; Lab-Farbraum: L; HSV-Farbraum: V) das Auftreten einer speziellen Farbeigenschaft detektiert. Als Merkmal wird dann die Häufigkeit des Auftretens einer bestimmten Farbeigenschaft in einem dieser Kanäle innerhalb der Untergruppe aufgenommen.The color structure properties serve to distinguish between the quantitative and spatial distribution of color properties within a group bin i, rel (x, y). For this purpose, the groups bin i, rel (x, y) are subdivided into subgroups. In the exemplary embodiment, 25 subgroups each of 3 × 3 pixels are formed in each of the groups bin i, rel (x, y). Now in five color channels (RGB color space: R, G, B, Lab color space: L, HSV color space: V) the occurrence of a special color property is detected. As a feature, the frequency of occurrence of a particular color characteristic in one of these channels within the subgroup is then recorded.

Zum Untersuchen der Textureigenschaften innerhalb einer jeden relevanten Gruppe bini,rel(x, y) wird außerdem auf die in dieser Gruppe vorliegenden Grauwerte g des ungefilterten Grauwertbildes G zurückgegriffen und ein sogenanntes difference-of-boxes-Filter angewandt, dessen Filterantwort hohe negative und positive Amplituden für räumliche Änderungen der Intensität haben.For examining the texture properties within each relevant group i, rel (x, y) is also related to the gray values g of the unfiltered gray value image G present in this group and used a so-called difference-of-boxes filter whose filter responses have high negative and positive amplitudes for spatial changes in intensity.

Auf diese Weise wird jeder relevanten Gruppe bini,rel(x, y) ein Eigenschaftsvektor e mit einer der Anzahl m der Eigenschaften entsprechenden Anzahl von Komponenten zugeordnet.In this way, each relevant group bin i, rel (x, y) is assigned a property vector e with a number of components corresponding to the number m of properties.

In vorhergehenden Lernschritten sind für eine Vielzahl von Testbildern die Original-Bilddaten der in jedem der Testbilder nach dem vorstehend erläuterten Verfahren extrahierten relevanten Gruppen bini,rel(x, y) von einem Experten hinsichtlich ihrer diagnostischen Relevanz beurteilt. Hierzu werden zwei Klassen C1, C2 gebildet. Relevante Gruppen bini,rel(x, y) mit positivem Befund (diagnostisch relevant) werden der Klasse C1 zugeordnet, die übrigen (diagnostisch irrelevant) der Klasse C2 (Schritt 48).In previous learning steps, for a plurality of test images, the original image data of the relevant groups bin i, rel (x, y) extracted in each of the test images according to the method explained above are evaluated by an expert for their diagnostic relevance. For this purpose, two classes C1, C2 are formed. Relevant groups bin i, rel (x, y) with positive findings (diagnostically relevant) are assigned to class C1, the remaining (diagnostically irrelevant) to class C2 (step 48 ).

Mit Hilfe eines Lernalgorithmus, im Beispiel ein sogenannter Adaptive-Boosting-Algorithmus, wird nun anhand der von Experten beurteilten Testbilder das System derart trainiert, dass dieses auf der Grundlage des jeder relevanten Gruppe bini,rel(x, y) zugeordneten Eigenschaftsvektors mit einer hohen Wahrscheinlichkeit treffsicher entscheiden kann, welcher Klasse C1, C2 diese Gruppe bini,rel(x, y) zugeordnet werden kann.With the aid of a learning algorithm, in the example a so-called adaptive boosting algorithm, the system is trained in such a way on the basis of the characteristic vector bin i, rel (x, y) associated with each relevant group bin i, rel (x, y) high probability can decide which class C1, C2 this group i, rel (x, y) can be assigned.

Im Verlauf dieser Trainingsphase werden außerdem die für die spätere automatisierte Bildanalyse verwendeten Eigenschaften, d. h. die tatsächlich notwendigen und geeigneten, d. h. relevanten Komponenten des Eigenschaftsvektors aus einer größeren Anzahl von Eigenschaften extrahiert, indem diejenigen Komponenten nicht mehr berücksichtigt werden, die in der Trainingsphase sowohl für die Gruppen bini,rel(x, y) der Klasse C1 als auch für die Gruppen bini,rel(x, y) der Klasse C2 den Wert 0 ergeben. Ebensowenig werden diejenigen Eigenschaften weiter berücksichtigt, deren Varianz in der Gruppe C1 größer oder annähernd gleich der Varianz dieses Merkmals in der Gesamtzahl der Gruppen ist.In the course of this training phase, the properties used for the later automated image analysis, ie the actually necessary and suitable, ie relevant components of the property vector, are also extracted from a larger number of properties by disregarding those components that are used in the training phase for both Groups are i, rel (x, y) of class C1 as well as the groups bin i, rel (x, y) of class C2 the value 0. Equally, those features whose variance in group C1 is greater than or nearly equal to the variance of that feature in the total number of groups are still considered.

Mit diesen Maßnahmen hat sich in der Praxis eine Anzahl von 66 Merkmalen ergeben, die bei der automatisierten Bildauswertung zur Beurteilung herangezogen werden, ob es sich um eine gastritische Läsion handelt oder nicht.These measures have resulted in practice in a number of 66 features that are used in the automated image analysis to assess whether it is a gastric lesion or not.

Mit dem auf diese Weise trainierten Expertensystem wird nun in Schritten 46 und 48 beurteilt, welcher Klasse C1, C2 die in einem während einer endoskopischen Untersuchung erzeugten Videobild mit den Schritten 30 bis 42 identifizierten relevanten Gruppen bini,rel zuzuordnen sind. Mit anderen Worten: Das Expertensystem beurteilt automatisch, ob die relevante Gruppe bini,rel einen gastritischen Bereich indiziert oder nicht. Wenn relevante Gruppen bini,rel eines Videobildes der Klasse C1 zugeordnet worden sind, wird dies akustisch oder optisch, beispielsweise innerhalb des Videobildes durch eine entsprechende Hervorhebung dem Nutzer angezeigt, so dass dieser aktiv in die Steuerung der Endoskopkapsel eingreifen kann. Ergänzend oder alternativ zu einer solchen manuellen Steuerung kann auch eine automatische Steuerung der Endoskopkapsel vorgesehen sein.The expert system trained in this way will now be in steps 46 and 48 judges which class C1, C2 the video image produced in an endoscopic examination with the steps 30 to 42 identified relevant groups bin i, rel are assigned. In other words, the expert system automatically judges whether or not the relevant group bin i rel indicates a gastric region. If relevant groups bin i, rel of a video image of class C1 have been assigned, this is indicated acoustically or optically, for example within the video image, by a corresponding highlighting to the user, so that he can actively intervene in the control of the endoscope capsule. In addition or as an alternative to such a manual control, automatic control of the endoscope capsule may also be provided.

Das für die Erkennung einer Gastritis verwendete Verfahren ist grundsätzlich mit geeigneten vorverarbeitenden Schritten sowie mit zur Charakterisierung geeigneten Eigenschaftsvektoren zur automatischen Erkennung anderer Krankheitsbilder geeignet, bei denen die diagnostisch relevante Information in einer Trübung und/oder Färbung einer im Hohlorgan befindlichen Flüssigkeit und/oder einem Vorhandensein von Partikeln in der Flüssigkeit besteht, d. h. bei denen die optischen Eigenschaften der Flüssigkeit das Vorliegen eines Krankheitsbildes indizieren.The method used for the detection of gastritis is basically suitable with suitable preprocessing steps and suitable for the characterization of property vectors for the automatic detection of other diseases in which the diagnostically relevant information in a turbidity and / or coloration of a fluid located in the hollow organ and / or a presence of particles in the liquid, d. H. in which the optical properties of the fluid indicate the presence of a clinical picture.

So vermischt sich bei bestimmten Krankheitsbildern im untersuchten Organ die zugeführte Flüssigkeit, deren Eigenschaften bekannt sind, mit Fremdkörpern. So kann es sich bei diesen Fremdkörpern beispielsweise um Gewebeteile handeln, die sich flockenartig bei einem Ulcus ventriculi (Magengeschwür) von der Magenwand ablösen. Diese Gewebeflocken sind dann im Endoskopbild als in der Flüssigkeit schwebende Partikel zu erkennen. Die Art, Menge und Größe dieser Fremdkörper geben dabei ein sehr gutes erstes Indiz dafür ab, ob eine bestimmte Krankheit vorliegt, auch wenn die betroffene anatomische Stelle mit dem Endoskop noch nicht gesichtet wurde. Zu erkennen sind die Fremdkörper im Endoskop zumeist als schwebende Partikel, können aber bei geringer Größe auch als Eintrübung der Flüssigkeit ausgebildet sein.Thus, in certain diseases in the examined organ mixes the supplied liquid whose properties are known with foreign bodies. For example, these foreign bodies can be tissue parts which detach from the stomach wall in the manner of a flake in a gastric ulcer. These tissue flakes are then recognized in the endoscope image as floating in the liquid particles. The type, amount and size of these foreign bodies provide a very good first indication of whether a particular disease is present, even if the affected anatomical site has not yet been sighted with the endoscope. To recognize the foreign body in the endoscope usually as a floating particles, but may also be formed in small size as clouding of the liquid.

In 3 ist schematisch ein Endoskopbild wiedergegeben, bei dem sich als Folge eines Magengeschwürs Exsudat von der Magenwand gelöst hat und als weißliche flockenartige Fremdkörper 50 in der Flüssigkeit schwimmt. Bei einer automatischen Detektion kann dabei ausgenutzt werden, dass diese Flocken 50 gegenüber den im Hintergrund an der Magenwand befindlichen, ebenso wie die Magenwand rötlichen Strukturen 52 als helle weiße Bildbereiche deutlich erkennbar werden und somit automatisch segmentiert und hinsichtlich Größe und Anzahl analysiert werden können.In 3 is schematically reproduced an endoscopic image in which as a result of a gastric ulcer exudate has detached from the stomach wall and as whitish fluffy foreign body 50 floating in the liquid. In an automatic detection can be exploited that these flakes 50 opposite to those in the background located on the stomach wall, as well as the stomach wall reddish structures 52 be clearly visible as bright white image areas and thus automatically segmented and analyzed in terms of size and number.

In 4 ist ein weiteres Krankheitsbild dargestellt, bei der Galle als gelblich-grüne bis bräunliche Flüssigkeit über den Pylorus (Magenausgang) 56 in den Magen gelangt, wenn dieser den Rückfluss nicht verhindern kann. Sie vermischt sich dort mit der Flüssigkeit, in der die Endoskopkapsel schwimmt und trübt sie ein. Diese Trübung kann ebenfalls automatisch detektiert werden und erlaubt so Rückschlüsse auf die Funktionstüchtigkeit des Pylorus. Darüber hinaus kann auch aus der automatisch bestimmten farblichen Zusammensetzung der Flüssigkeit eine Leberfehlfunktion erkannt werden. In der Flüssigkeit auftretende Galle besteht aus verschiedenen chemischen Komponenten von denen einige klar sind und andere dagegen farbig sind, so dass die Farbe der Gallenflüssigkeit je nach Anteil der in der Galle befindlichen hauptsächlich Farbstoffe, nämlich gelbes Bilirubin und grünes Biliverdin von gelblich bis grünlich variiert. Beides sind Abbauprodukte der Leber von Hämoglobin. Je nach Veränderung der Konzentrationen eines der beiden Abbauprodukte erscheint die Gallenflüssigkeit also mehr gelblich oder grünlich und lässt bei bestimmten Farbverschiebungen Rückschlüsse auf Leberfehlfunktionen zu. Dieser Farbunterschied bleibt erhalten bei der Vermischung mit der Flüssigkeitslösung im Arbeitsraum (Magen und/oder Darm) und kann anhand einer Analyse der Endoskopbilder mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung oder -analyse automatisch detektiert werden.In 4 another clinical picture is presented in which bile is a yellowish-green to brownish fluid over the pylorus (stomach exit) 56 gets into the stomach if it can not prevent reflux. It mixes there with the liquid in which the endoscope capsule floats and tarnishes her. This turbidity can also be detected automatically and thus allows conclusions to be drawn about the functionality of the pylorus. In addition, a liver malfunction can also be detected from the automatically determined color composition of the fluid. Bile occurring in the fluid consists of various chemical components, some of which are clear and others which are colored, so that the color of the bile varies from yellowish to greenish depending on the proportion of the main bile in the bile, namely yellow bilirubin and green biliverdin. Both are breakdown products of the liver of hemoglobin. Depending on the change in the concentrations of one of the two degradation products, the bile fluid thus appears more yellowish or greenish and allows conclusions about liver dysfunctions for certain color shifts. This color difference is retained when mixing with the liquid solution in the working space (stomach and / or intestine) and can be detected automatically by means of an analysis of the endoscope images with methods of digital image processing or analysis.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10142253 C1 [0002] DE 10142253 C1 [0002]

Claims (7)

Verfahren zur Untersuchung eines Hohlorgans (6) mit einer magnetgeführten Endoskopkapsel (2), mit der aus dem Inneren des Hohlorgans (6) fortlaufend Videobilder erzeugt werden, bei dem diese während der Navigation der Endoskopkapsel (2) im Hohlorgan (6) mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung ausgewertet und automatisch auf das Vorhandensein diagnostisch relevanter Information analysiert werden, und bei dem das Ergebnis dieser Analyse zur Steuerung der Endoskopkapsel (2) herangezogen wird.Method for examining a hollow organ ( 6 ) with a magnet-guided endoscope capsule ( 2 ), from the inside of the hollow organ ( 6 ) continuous video images are generated during the navigation of the endoscope capsule ( 2 ) in the hollow organ ( 6 ) are analyzed by digital image processing methods and automatically analyzed for the presence of diagnostically relevant information, and in which the result of this analysis for controlling the endoscope capsule ( 2 ) is used. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die diagnostisch relevante Information in dem Vorhandensein von Bereichen an der Wand des Hohlorgans besteht, die eine mögliche Gastritis indizieren.The method of claim 1, wherein the diagnostically relevant information is the presence of areas on the wall of the hollow organ that indicate possible gastritis. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem aus den Videobildern zum Lokalisieren von hohen Intensitätsgradienten durch Vorbearbeitung jeweils ein Grauwertbild erzeugt wird, dessen Bildpunkten jeweils ein Grauwert zugeordnet wird, aus dem durch Glättung und Kantenfilterung ein gefiltertes Bild erzeugt wird, dessen Bildpunkten ein Filterwert zugeordnet ist, wobei aus den Filterwerten der Bildpunkte des gefilterten Bildes ein Schwellwert abgeleitet wird, und bei dem das Videobild in jeweils eine Vielzahl von Gruppen aufgeteilt wird, die jeweils eine Vielzahl von Bildpunkten umfassen und nur diejenigen Gruppen als relevante Gruppen zur Analyse herangezogen werden, die im gefilterten Bild eine Mindestanzahl von Bildpunkten enthalten, die den Schwellwert überschreiten.Method according to Claim 2, in which a gray value image is generated from the video images for localizing high intensity gradients by preprocessing, to each pixel of which a gray value is assigned, from which a filtered image is generated by means of smoothing and edge filtering whose pixels are assigned a filter value, wherein a threshold value is derived from the filter values of the pixels of the filtered image, and in which the video image is divided into a plurality of groups each comprising a plurality of pixels and only those groups are used as relevant groups for analysis in the filtered Image contains a minimum number of pixels that exceed the threshold. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem jeder relevanten Gruppe eine Vielzahl von Eigenschaften zugeordnet wird, anhand derer mit einem mit einer Vielzahl von bewerteten Testbildern trainierten Expertensystem beurteilt wird, ob die relevante Gruppe einen gastritischen Bereich indiziert oder nicht.The method of claim 3, wherein each relevant group is assigned a plurality of properties, with which it is judged with an expert system trained with a plurality of evaluated test images whether the relevant group indicates a gastric region or not. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die zum Training verwendeten Testbilder einer Vorbearbeitung nach Anspruch 3 unterzogen und die auf diese Weise gewonnenen relevanten Gruppen manuell als diagnostisch relevant oder diagnostisch irrelevant klassifiziert werden.Method according to Claim 4, in which the test images used for training undergo pre-processing according to Claim 3, and the relevant groups obtained in this way are classified manually as diagnostically relevant or diagnostically irrelevant. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die diagnostisch relevante Information in einer Trübung und/oder Färbung einer im Hohlorgan befindlichen Flüssigkeit und/oder einem Vorhandensein von Partikeln in der Flüssigkeit besteht.The method of claim 1, wherein the diagnostically relevant information consists in a turbidity and / or coloration of a liquid present in the hollow organ and / or a presence of particles in the liquid. Einrichtung zur Untersuchung eines Hohlorgans mit einem Magnetsystem zum Führen einer mit einem Permanentmagneten versehenen Endoskopkapsel, die Videobilder aus dem Inneren des Hohlorgans aufnimmt und an eine Steuer- und Auswerteeinrichtung übermittelt, in der eine Software zum Durchführen eines der vorhergehenden Verfahren implementiert ist.Apparatus for inspecting a hollow organ having a magnet system for guiding a permanent-capsule provided with a permanent magnet which receives video images from the interior of the hollow organ and transmits them to a control and evaluation device in which software for carrying out one of the preceding methods is implemented.
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